LM25069：正低压功率限制热插拔控制器详解

在电子设计领域，热插拔控制器是保障系统稳定运行和安全的关键组件。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）推出的 LM25069 正低压功率限制热插拔控制器，看看它有哪些独特的特性和应用优势。

一、LM25069 概述

LM25069 是一款专为控制电路卡插入带电背板或其他“热”电源时的浪涌电流而设计的控制器。它能有效限制背板电源电压的下降和施加到负载的电压的 dV/dt，减少对系统中其他电路的影响，防止可能的意外复位。同时，在电路卡移除时，也能实现受控关机。

1.1 主要特性

宽工作范围：工作电压范围为 +2.9V 至 +17V，具有 20V 的瞬态能力。
浪涌电流限制：确保安全地将电路板插入带电电源，限制系统电压下降和瞬态。
可编程功率耗散：可对外部串联 N 沟道 MOSFET 的最大功率耗散进行编程，使其在安全工作区（SOA）内运行。
可调电流限制：通过检测电流检测电阻上的电压，实现对负载电流的精确控制。
断路器功能：在严重过流事件发生时，迅速切断串联通过器件，保护系统安全。
内部电荷泵和栅极驱动器：为外部 N 沟道 MOSFET 提供驱动电压，增强其性能。
可调欠压和过压锁定：可设置欠压锁定（UVLO）和过压锁定（OVLO）阈值及滞回，确保系统在合适的电压范围内工作。
插入定时器和故障定时器：插入定时器允许系统连接后振铃和瞬态平息；可编程故障定时器避免误触发。
POWER GOOD 输出：指示输出电压是否在输入电压的 1.3V 范围内，方便用户监控系统状态。
多种版本可选：有锁存故障和自动重启两种版本可供选择，满足不同应用需求。

1.2 应用领域

服务器背板系统：保障服务器在热插拔过程中的稳定运行，减少对其他组件的影响。
基站配电系统：确保基站电源的可靠分配，提高系统的稳定性和可靠性。
固态断路器：实现对电路的快速保护，防止过流损坏设备。

二、引脚描述

LM25069 采用 10 引脚 VSSOP 封装，各引脚功能如下：	Pin #	Name	Description
1	SENSE	电流检测输入	测量电流检测电阻（RS）两端的电压，当电压达到 50mV 时，限制负载电流并激活故障定时器。
2	VIN	正电源输入	建议在该引脚附近放置一个小陶瓷旁路电容，以抑制负载电流关断时产生的瞬态。
3	UVLO/EN	欠压锁定	通过外部电阻分压器设置欠压开启阈值，内部 20µA 电流源提供滞回。该引脚也可用于远程关机控制。
4	OVLO	过压锁定	通过外部电阻分压器设置过压关闭阈值，内部 20µA 电流源提供滞回。
5	GND	电路接地
6	TIMER	定时电容	连接外部电容，设置插入时间延迟、故障超时周期和 LM25069 - 2 的重启定时。
7	PWR	功率限制设置	通过连接外部电阻，结合电流检测电阻（RS），设置外部串联 MOSFET 允许的最大功率耗散。
8	PGD	电源良好指示	开漏输出，当外部 MOSFET 的 VDS 低于 1.3V 时，PGD 指示有效（高电平）；当 VDS 高于 1.9V 时，PGD 指示变为低电平。
9	OUT	输出反馈	连接到输出轨（外部 MOSFET 源极），内部用于确定 MOSFET 的 VDS 电压以进行功率限制，并控制 PGD 指示。
10	GATE	栅极驱动输出	连接到外部 MOSFET 的栅极，该引脚电压限制在高于地 19.5V。

三、工作原理

3.1 上电序列

当 VIN 电压最初升高时，GATE 引脚的内部 260mA 下拉电流将外部 N 沟道 MOSFET（Q1）保持关断状态，同时 TIMER 引脚初始保持接地。当 VIN 电压达到 POR 阈值时，插入时间开始，TIMER 引脚的电容（CT）由 5.5µA 电流源充电，Q1 由 GATE 引脚的 2mA 下拉电流保持关断。插入时间结束后，CT 被 2mA 下拉电流快速放电，当 VSYS 超过 UVLO 阈值时，GATE 引脚开启 Q1。在浪涌限制期间，内部 80µA 故障定时器电流源对 CT 充电，若 Q1 的功率耗散和输入电流在 TIMER 引脚达到 1.72V 之前降至各自的限制阈值以下，80µA 电流源关闭，CT 由 2.5µA 电流吸收器放电。当 OUT 引脚电压升高到输入电压的 1.3V 范围内时，浪涌限制结束，PGD 引脚变为高电平。

3.2 栅极控制

电荷泵为 GATE 引脚提供电压，增强 N 沟道 MOSFET 的栅极。在正常工作条件下，Q1 的栅极由内部 20µA 电流源保持充电，GATE 引脚电压（相对于地）由内部 19.5V 齐纳二极管限制。系统电压最初施加时，GATE 引脚由 260mA 下拉电流保持低电平，防止 MOSFET 通过其漏 - 栅电容意外导通。插入时间内，GATE 引脚由 2mA 下拉电流保持低电平，确保 Q1 处于关断状态。浪涌限制期间，Q1 的栅极电压被调制以保持电流或功率耗散不超过编程水平。若浪涌限制条件持续，TIMER 引脚达到 1.72V 时，GATE 引脚被 2mA 下拉电流拉低，直到重新启动。若系统输入电压低于 UVLO 阈值或高于 OVLO 阈值，GATE 引脚也会被 2mA 下拉电流拉低，关闭 Q1。

3.3 电流限制

当电流检测电阻（RS）两端的电压（VIN 到 SENSE）达到 50mV 时，达到电流限制阈值。在电流限制条件下，GATE 电压被控制以限制 MOSFET Q1 中的电流。电流限制电路激活时，故障定时器也会激活。若负载电流在故障超时周期结束前降至电流限制阈值以下，LM25069 恢复正常运行。为确保正常运行，RS 电阻值不应大于 200mΩ，否则可能导致电流限制控制回路不稳定。

3.4 断路器功能

当负载电流迅速增加（如负载短路）时，电流检测电阻（RS）中的电流可能在电流限制控制回路响应之前超过电流限制阈值。若电流超过约两倍的电流限制阈值（95mV/RS），GATE 引脚的 260mA 下拉电流将 Q1 迅速关闭，并开始故障超时周期。当 RS 两端的电压降至 95mV 以下时，GATE 引脚的 260mA 下拉电流关闭，Q1 的栅极电压由电流限制或功率限制功能决定。若 TIMER 引脚在电流限制或功率限制条件停止之前达到 1.72V，GATE 引脚的 2mA 下拉电流将 Q1 关闭。

3.5 功率限制

LM25069 的一个重要特性是 MOSFET 功率限制。通过监测 Q1 的漏 - 源电压（SENSE 到 OUT）和通过电流检测电阻（VIN 到 SENSE）的漏极电流，确定 Q1 的功率耗散。将电流和电压的乘积与 PWR 引脚电阻编程的功率限制阈值进行比较，若功率耗散达到限制阈值，GATE 电压被调制以调节 Q1 中的电流。功率限制电路激活时，故障定时器也会激活。

3.6 故障定时器和重启

当开启时或由于故障条件达到电流限制或功率限制阈值时，Q1 的栅 - 源电压被调制以调节负载电流和 Q1 中的功率耗散。任一限制功能激活时，80µA 故障定时器电流源对 TIMER 引脚的外部电容（CT）充电。若故障条件在故障超时周期内 TIMER 引脚达到 1.72V 之前消失，LM25069 返回正常运行模式，CT 由 2.5µA 电流吸收器放电。若 TIMER 引脚在故障超时周期内达到 1.72V，GATE 引脚的 2mA 下拉电流将 Q1 关闭。后续的重启程序取决于使用的 LM25069 版本：

LM25069 - 1：在故障超时周期结束时，GATE 引脚锁定为低电平，CT 由 2.5µA 故障电流吸收器放电至地。GATE 引脚由 2mA 下拉电流保持低电平，直到通过外部控制（如循环输入电压或瞬间将 UVLO 引脚拉至阈值以下）启动上电序列。
LM25069 - 2：提供自动重启序列，故障超时周期后，TIMER 引脚在 1.72V 和 1V 之间循环七次。每次循环的周期由 80µA 充电电流、2.5µA 放电电流和电容 CT 的值决定。第八次高 - 低斜坡期间，TIMER 引脚达到 0.3V 时，GATE 引脚的 20µA 电流源开启 Q1。若故障条件仍然存在，故障超时和重启周期将重复。

3.7 欠压锁定（UVLO）和过压锁定（OVLO）

当输入电源电压（VSYS）在可编程的欠压锁定（UVLO）和过压锁定（OVLO）水平定义的工作范围内时，串联通过 MOSFET（Q1）被启用。通常，通过电阻分压器（R1 - R3）设置 UVLO 水平。当 VSYS 低于 UVLO 水平时，UVLO 处的内部 20µA 电流源启用，OVLO 处的电流源关闭，Q1 由 GATE 引脚的 2mA 下拉电流保持关断。当 VSYS 升高，UVLO 引脚电压超过其阈值时，UVLO 处的 20µA 电流源关闭，提供滞回。若插入时间延迟已过期，Q1 由 GATE 引脚的 20µA 电流源开启。若 VSYS 使 OVLO 引脚电压超过其阈值，Q1 由 GATE 引脚的 2mA 下拉电流关闭，切断负载电源。当 OVLO 引脚高于其阈值时，OVLO 处的内部 20µA 电流源开启，提供阈值滞回。当 VSYS 降至 OVLO 水平以下时，Q1 被启用。

3.8 关机控制

通过使用开集电极或开漏器件将 UVLO 引脚拉至阈值以下，可远程关闭负载电流。释放 UVLO 引脚后，LM25069 以浪涌电流和功率限制开启负载电流。

3.9 电源良好引脚（PGD）

电源良好指示引脚（PGD）连接到内部 N 沟道 MOSFET 的漏极，能够在关断状态下承受 17V 电压和高达 20V 的瞬态电压。PGD 需要一个外部上拉电阻连接到适当的电压，以向后续电路指示状态。PGD 在 VIN 电压低于 1.6V 时为高电平，当 VIN 电压升高超过约 1.6V 时变为低电平。当 OUT 引脚电压升高到 SENSE 引脚电压的 1.3V 范围内（VDS < 1.3V）时，PGD 变为高电平；当 Q1 的 VDS 高于 1.9V 时，PGD 变为低电平。若 UVLO 引脚低于其阈值或 OVLO 引脚高于其阈值，禁用 LM25069，PGD 在 10µs 内变为低电平，无需等待 OUT 引脚电压下降。

四、应用信息

4.1 电流限制电阻（RS）

LM25069 通过测量连接在 VIN 和 SENSE 之间的电流检测电阻（RS）两端的电压来监测外部 MOSFET（Q1）中的电流。所需的电阻值根据公式 (RS = frac{50mV}{I{LIM}}) 计算，其中 (I_{LIM}) 是所需的电流限制阈值。为确保正常运行，RS 不应大于 200mΩ。同时，应考虑电阻的功率额定值和浪涌能力，连接 RS 到 LM25069 时应使用 Kelvin 技术，以消除高电流焊点上的电压降。

4.2 功率限制阈值

LM25069 通过监测 Q1 的漏极电流（RS 中的电流）和 VDS（SENSE 到 OUT 引脚）来确定其功率耗散。PWR 引脚的电阻（RPWR）设置 Q1 的最大功率耗散，计算公式为 (R_{PWR}=2.32 × 10^5 × RS × P{FET(LIM)})，其中 (P_{FET(LIM)}) 是 Q1 的所需功率限制阈值。若 Q1 的功率耗散达到阈值，Q1 的栅极被调制以调节负载电流，防止其超过阈值。为确保功率限制功能正常工作，RPWR 必须 ≤150kΩ。若应用不需要使用功率限制功能，PWR 引脚可以悬空。

4.3 开启时间

输出开启时间取决于 LM25069 在开启时是仅工作在电流限制模式，还是同时工作在功率限制和电流限制模式：

仅电流限制：若电流限制阈值小于最大功率限制阈值在最大 VDS 时定义的电流，电路在开启时仅工作在电流限制阈值。输出引脚电压从 0V 过渡到 VSYS 的时间为 (t{ON}=frac{V{SYS} × C{L}}{I{LIM}})，其中 (C{L}) 是负载电容。若负载在开启序列期间吸取电流，开启时间会更长，近似为 (t{ON}=-(R{L} × C{L}) × ln[frac{(I{LIM} × R{L}) - V{SYS}}{(I{LIM} × R{L})}])，其中 (R{L}) 是负载电阻。
功率限制和电流限制：若电流限制阈值高于最大功率限制阈值在最大 VDS 时定义的电流，电路在 Q1 的 VDS 较高时最初工作在功率限制模式，然后随着电流增加到 (I{LIM}) 且 VDS 降低，过渡到电流限制模式。假设负载在开启时未连接，输出电压达到最终值的时间近似为 (t{ON}=frac{C{L} × V{SYS}^2}{2 × P{FET(LIM)}} + frac{C{L} × P{FET(LIM)}}{2 × I{LIM}^2})。故障超时周期必须设置得比开启时间长，以防止在开启序列完成之前发生故障关机。

4.4 MOSFET 选择

选择外部 MOSFET（Q1）时，应考虑以下标准：

击穿电压（BVDSS）：额定值应大于最大系统电压（VSYS），并考虑插入或移除电路板时可能出现的振铃和瞬态。
最大连续电流：额定值应基于电流限制阈值（50mV/RS），而不是最大负载电流，因为电路可以连续接近电流限制阈值运行。
脉冲漏极电流（IDM）：规格必须大于断路器功能的电流阈值（95mV/RS）。
安全工作区（SOA）：应参考器件的 SOA 图表和热特性，确定由 RPWR 电阻设置的最大功率耗散阈值。若使用 LM25069 - 2，编程的最大功率耗散应与 FET 的 SOA 图表定义的最大功率有合理的余量，因为 FET 在故障重启周期中会反复受到应力。
导通电阻（RDS(on)）：应足够低，以确保在最大负载电流下的功率耗散不会使其结温超过制造商的建议。
栅 - 源阈值电压：若电路的输入电压处于 LM25069 工作范围的低端（<3.5V）或高端（>14V），LM25069 施加到 MOSFET 的栅 - 源电压小于 5V，在最坏情况下可能接近 1V。所选器件必须具有合适的栅 - 源阈值电压。
栅 - 源电压保护：LM25069 在开启时提供的栅 - 源电压可能高达 19.5V，关闭时反向栅 - 源电压将等于 GATE 引脚被拉低瞬间的输出电压。若所选 Q1 器件的额定电压不满足要求，必须在其栅极和源极之间添加一个外部齐纳二极管，齐纳电压应小于器件的最大 VGS 额定值，齐纳二极管的正向电流额定值必须至少为